Теплоносители и их свойства. Цикл Ренкина. Другие циклы ПТУ. (Тема 7)

1. ТНиС 07

● Цикл Ренкина
● Другие Циклы ПТУ
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
1

2. Цикл Ренкина паротурбинной установки (ПТУ) в pv-диаграмме

1-2 адиабатное расширение пара
в турбине;
p
к
3
4
5 1
2-2’ изобарно-изотермическая
конденсация пара в
конденсаторе;
2
2’
0
x=0
x=1
v
2’-3 адиабатное сжатие воды в
питательном насосе;
3-4 изобарный
нагрев воды в водяном
экономайзере;
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
2

3. Цикл Ренкина паротурбинной установки в Ts-диаграмме

4-5 изобарно-изотермическое
парообразование;
T
5-1 изобарный перегрев пара
в пароперегревателе.
к
4
5
1
Термический КПД цикла Ренкина:
3
2’
0
2
x=const
s
t q1 q2 (h1 h3 ) (h2 h2' )
q1
h1 h3
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
.
(1)
3

4. Приближенный КПД цикла Ренкина

Если в выражении (1) перегруппировать члены, то:
t (h1 h2 ) (h3 h2' )
h1 h3
т н
.
q1
Здесь lт – положительная работа пара в турбине; lн – затрата
работы на сжатие воды в насосе; q1 – теплота, подведенная
к рабочему телу в парогенераторе.
В современных ПТУ lт≈1200…1600 кДж/кг, lн≈20…40 кДж/кг
и для приближенных расчетов работой сжатия воды можно
пренебречь, то есть считать,
что h2’≈h3, тогда:
(2)
т h1 h2 .
t
q1
h1 h2'
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
4

5.

Влияние параметров пара на
термический КПД цикла Ренкина
Влияние
начальной
температуры
h
h
р1
Т’1
Влияние
начального
давления
p’1
p1
Т1
Т1
h
h0
Влияние
конечного
давления
р1
Т1
h0
h’0
h’0
h’0
h0
p2
р2
Т’1>T1
s
p’1>p1
p’2
р2
s
p’2<p2
s
h’0>h0, следовательно: η’t>ηt
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
5

6. Порядок конечных и начальных параметров пара

В современных ПТУ обычно р2=0,03…0,05 бар и зависит от
температуры охлаждающей воды.
При этих давлениях температура конденсации отработавшего
в турбине пара соответственно tн=24…33 °С.
Начальные параметры пара в современных ПТУ:
р1=240…300 бар, t1=550…600 °С.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
6

7. Простейшая схема паротурбинной установки (ПТУ)

ПТ
ПЕ
ЭГ
ПГ – парогенератор;
~
ПЕ – пароперегреватель;
ПТ – паровая турбина;
К-р
ПГ
КН
ЭГ – электрогенератор;
К-р – конденсатор
(Pк=3…5 кПа);
ВЭ
КН – конденсатный насос;
ПН
Д
Д
– деаэратор;
ПН – питательный насос.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
7

8. Цикл ПТУ с учетом необратимости

Т
1
p1
Основные необратимые потери
происходят в паровой турбине и
питательном насосе.
4
3д
5
3
p2
2’
0
2
2д
s
Процесс течения пара в соплах
и каналах рабочих лопаток
можно считать адиабатным из-за
высоких скоростей пара и малого
времени контакта между паром и
проточными поверхностями.
Так как в необратимом процессе пар расширяется до того же
давления р2, то для влажного пара на выходе из турбины
Т2д=Т2.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
8

9. Обозначения процессов в цикле ПТУ

1-2; 1-2д – теоретическое и действительное адиабатные
расширения пара в турбине;
2д-2’ – изобарно-изотермическая конденсация пара в
конденсаторе;
2’-3; 2’-3д – теоретическое и действительное сжатия воды в
питательном насосе;
3д-4 – изобарный нагрев воды в экономайзере;
4-5 – изобарно-изотермическое парообразование в испарителе;
5-1 – изобарный перегрев пара в пароперегревателе.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
9

10. Необратимые потери в турбине

h
h1
1
р1
t1
р2
h2д
2д
При течении пара в соплах и
каналах рабочих лопаток турбины
часть кинетической энергии пара
расходуется на трение и завихрение.
x=1
Эти потери преобразуются в
теплоту, которая при адиабатном
течении воспринимается потоком пара, за счет чего его
энтальпия возрастает до h2д>h2.
h2
2
s
Необратимые потери в турбине учитываются внутренним
относительным КПД турбины:
.
ò h1 h2ä
oi
h1 h2
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
10

11. Необратимые потери в насосе

h
Необратимые потери в насосе
учитываются внутренним относительным
КПД насоса:
3д
oií
3
2’
x=0
p2
h3 h '2
h3ä h '2
.
s
Внутренний абсолютный КПД ПТУ,
учитывающий необратимые потери:
i
ò h3 h '2
(h1 h2 ) oi í
oi
.
h1 h3
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
11

12. Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара

ПЕ
ПП
ЦВД
ПГ
в ЦНД
к
T
ЦСД
4
1
7
На цикле 6-7 промперегрев;
1-6 адиабатное расширение
пара в ЦВД, 7-2 – то же в ЦСД
и ЦНД.
5
6
3
2’
0
2
x2P=const
После расширения пара в ЦВД
до линии х=1 он поступает в
промежуточный пароперегреватель ПП, перегревается снова
до температуры свежего пара.
x2п=const
s
Благодаря промперегреву
х2п>х2Р, поэтому ηtп>ηtр.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
12

13. Термический КПД ПТУ с промежуточным перегревом пара

Термический КПД ПТУ с промежуточным перегревом пара:
tï
(h1 h6 ) (h7 h2 )
(h1 h3 ) (h7 h6 )
.
Основное же назначение промежуточного перегрева пара – это
снижение внутренних потерь в турбине от влажности пара, что
приводит к повышению внутреннего относительного КПД ПТУ.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
13

14. Каскадная схема ПТУ с 3 отборами пара для регенеративного подогрева воды

1 кг
1-g1
1-g1-g2
2
1-g1-g2-g3
g1 g2
g3
4
1
1 кг
9
3
5
8
7
1 – парогенератор;
2 – пароперегреватель;
3 – паровая турбина;
4 – конденсатор;
5 – конденсатный насос;
6,7,9 – регенеративные
подогреватели воды;
6
8 – питательный насос;
1-g1
9 – водяной экономайзер;
g1,g2,g3 – отборы греющего пара из турбины.
1-g1-g2
1-g1-g2-g3
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
14

15. Термический КПД регенеративного цикла ПТУ

Питательная вода подогревается в трех смесительных
регенеративных подогревателях за счет теплоты конденсации
водяного пара, отбираемого из турбины.
В реальных ПТУ бывает до 6…9 регенеративных поверхностных
и смесительных подогревателей воды, что повышает
термический КПД установки ηt=l/q1 на 10…14 %,
где работа l складывается из работ потоков пара, проходящих
через турбину:
l l1 l2 l3 l4
.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
15

16. Работа потоков пара

h
h1
h’
1 p1
p’
p”
h”
p”’
p2
h”’
h2
t1
2
x=1
s
Работа потоков пара:
1 кг пара до 1 отбора
l1=h1-h’;
(1-g1) кг пара после 1 отбора
l2=(1-g1)(h’-h”);
(1-g1-g2) кг пара после 2 отбора
l3=(1-g1-g2)(h”-h”’);
(1-g1-g2-g3)=g кг пара после 3 отбора
l4= (1-g1-g2-g3)(h”’-h2).
Работа турбины равна сумме этих работ
l=h1-g1·h’-g2·h”-g3·h”’-g·h2.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
16

17. Термический КПД регенеративного цикла ПТУ

Т
1
p1
1 кг
p’
p”
p”’
1-g1
p2
0
Термический КПД
регенеративного цикла ПТУ:
t
1-g1-g2
l h1 g1h ' g 2 h " g3h "' gh2.
q1
h1 hï â
Расход пара в отборах находится
1-g1-g2-g3=g из уравнения теплового баланса
регенератора, например, для
первого подогревателя:
2
s
hï â h '0 g1(h ' h '0 ) ,
где h’0 – энтальпия питательной воды на выходе из
подогревателя, равная энтальпии конденсата
hï â h '0
греющего пара, откуда расход пара, кг/с:
g
1
h ' h '0
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
.
17

18. Теплофикационный цикл ПТУ

В цикле Ренкина теплота q2 должна
быть отдана холодному источнику
(охлаждающей воде в конденсаторе).
T
к
4
5
Но эту теплоту можно использовать,
если поднять давление в конденсаторе
с обычных рк=3…5 кПа до рк>1 бар.
1
3 2’
q2
0
2
s
При атмосферном давлении
температура конденсации пара 100 °С,
то есть температура охлаждающей воды
на выходе из конденсатора 95 °С и ее
можно использовать для отопления и
горячего водоснабжения.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
18

19. Теплофикация

Комбинированная выработка электрической и тепловой
энергии называется теплофикацией; турбины, работающие на
таких электростанциях – теплофикационными.
Сами же электростанции называются теплоэлектроцентралями
(ТЭЦ).
Для характеристики ТЭЦ используется коэффициент
использования теплоты, который представляет собой отношение
суммы работы l цикла ПТУ и отпущенной потребителю теплоты q2
ко всей подведенной теплоте q1: k=(l+q2)/q1.
Теоретически k=1, но из-за тепловых и механических потерь
реальное значение k=0,65…0,8.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2013
19